噴氣織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究

邱 海 飛

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710123)

高速化是現(xiàn)代噴氣織機(jī)的主要發(fā)展方向。在織造生產(chǎn)過(guò)程中，織機(jī)機(jī)架會(huì)受到來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的各種干擾和影響，如主軸運(yùn)轉(zhuǎn)引起的偏心力、綜框往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的周期性沖擊力、以及筘座產(chǎn)生的慣性打緯力等，均會(huì)對(duì)機(jī)架穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1]。若機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)很容易使織機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，由此將引發(fā)諸多不利生產(chǎn)問(wèn)題，如縮短設(shè)備壽命、降低生產(chǎn)效率、影響織物質(zhì)量及增加生產(chǎn)成本等[2]，所以在機(jī)架設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮其動(dòng)態(tài)特性。目前關(guān)于織機(jī)機(jī)架的研究文獻(xiàn)并不多見(jiàn)，能檢索到的也都是通過(guò)不同的技術(shù)方法來(lái)研究機(jī)架結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性，如汪群等[3]在考慮慣性力、打緯力、投梭力及換梭力共同作用的條件下，分析了1511織機(jī)的振動(dòng)特性；黃富貴等[4]將豆包消振器應(yīng)用于GA712噴氣織機(jī)機(jī)架，有效提高了機(jī)架的抗振性能；吳鋒等[5]利用ODS法研究織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的機(jī)架動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)確定機(jī)架薄弱環(huán)節(jié)為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了可靠依據(jù)；張洪等[6]對(duì)織機(jī)機(jī)架剛度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出通過(guò)選擇合理的撐擋截面形狀可有效提高機(jī)架剛度。

為適應(yīng)噴氣織機(jī)的高速化生產(chǎn)要求，針對(duì)以往織機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的技術(shù)及試驗(yàn)難度，本文將現(xiàn)代CAD/CAE方法應(yīng)用于某型噴氣織機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元建模、動(dòng)力學(xué)計(jì)算與仿真分析等，為織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化及相關(guān)試驗(yàn)研究提供技術(shù)參考。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

噴氣織機(jī)機(jī)架主要由墻板、胸梁、后梁和橫梁等組成，為了增強(qiáng)機(jī)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，選用抗振性強(qiáng)的灰鑄鐵作為墻板材質(zhì)[7]，其余梁件材質(zhì)均為結(jié)構(gòu)鋼，兩種材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)噴氣織機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能原理，在ANSYS/WorkBench平臺(tái)上建立如圖1所示的機(jī)架有限元模型，其坐標(biāo)系分布為：X軸-沿機(jī)架橫向方向；Y軸-沿機(jī)架縱向方向；Z軸-沿機(jī)架高度方向。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material property parameters

圖1 機(jī)架有限元模型Fig.1 Finite element model of the frame

機(jī)架各部分之間的連接采用實(shí)體接觸，通過(guò)Solid186單元對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，建模過(guò)程忽略影響不大的緊固件和細(xì)小特征，創(chuàng)建完成的機(jī)架有限元模型共包括48 171個(gè)單和102 897個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)生產(chǎn)車(chē)間實(shí)際布局，在左右墻板底面施加固定約束，使機(jī)架與地基完全固定。

2 模態(tài)特性

模態(tài)頻率和振型是結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力學(xué)特性，也是進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析的重要基礎(chǔ)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中起主要作用，高階模態(tài)對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的貢獻(xiàn)很小，而且衰減很快，故實(shí)際當(dāng)中只考慮低階模態(tài)[8]。不考慮外部激振載荷，采用Direct-Block Lanczos法求解機(jī)架的自由模態(tài)，并提取前6階固有頻率和振型。

機(jī)架1～6階振型如圖2所示，與之對(duì)應(yīng)的固有頻率及振動(dòng)模式特征見(jiàn)表2。分析可知，機(jī)架第1階振型為整體結(jié)構(gòu)沿軸向擺動(dòng)變形，最大位移發(fā)生在胸梁及其與墻板的連接位置處；第2階振型主要為兩側(cè)墻板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大位移出現(xiàn)在墻板后端上部；其余幾階振型分別表現(xiàn)為后上橫梁的彎曲振動(dòng)、后梁的彎曲振動(dòng)、后梁和后上橫梁的彎曲振動(dòng)，以及左右墻板的前端部彎曲振動(dòng)。綜上可知，在機(jī)架的各階振動(dòng)模式中，后梁、橫梁及墻板的振動(dòng)變形較為活躍，為使機(jī)架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)更高工作轉(zhuǎn)速，可從后梁、橫梁及墻板方面進(jìn)行加強(qiáng)或改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖2 機(jī)架前6階振型Fig.2 Top 6 vibration modes of the frame

階次固有頻率/Hz振型特征描述165.01整體沿軸向擺動(dòng)2128.94墻板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3142.64后上橫梁彎曲振動(dòng)4178.73后梁彎曲振動(dòng)5195.68后梁和橫梁彎曲振動(dòng)6203.77墻板前端部彎曲振動(dòng)

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗振性設(shè)計(jì)原則，應(yīng)盡量使外界激振力頻率遠(yuǎn)小于機(jī)架初階固有頻率，因?yàn)殡S著模態(tài)階次的升高，機(jī)架固有頻率值會(huì)逐漸增加，而激發(fā)高階振動(dòng)的載荷能量會(huì)逐漸減弱，使得高階振動(dòng)不容易被激發(fā)[9]。由此可知，為了保證織造過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行，織機(jī)主軸工作頻率應(yīng)盡量小于65 Hz，而當(dāng)主軸工作頻率在65 Hz以上時(shí)，還需要避開(kāi)128 Hz和142 Hz，以免產(chǎn)生共振和噪聲等不利影響。

3 諧振響應(yīng)

3.1 簡(jiǎn)諧載荷確定

諧響應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)所受荷載相關(guān)，主要用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受簡(jiǎn)諧載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[10]。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，可將機(jī)架等效為一個(gè)質(zhì)量為M的連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)剛度為K，阻尼為C，則當(dāng)在X坐標(biāo)方向施加一個(gè)激振載荷F時(shí)，可建立如圖3所示的等效力學(xué)模型。對(duì)于結(jié)構(gòu)離散化的機(jī)架有限元模型，當(dāng)機(jī)架受到一個(gè)頻率為ω的簡(jiǎn)諧載荷F作用時(shí)，其受迫振動(dòng)微分方程如式(1)所示，且各節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)如式(2)所示。

圖3 等效力學(xué)模型Fig.3 Equivalent mechanical model

(1)

{x}={X}sin(ωt+φ)

(2)

式中：[M]表示質(zhì)量矩陣；[C]表示阻尼矩陣；[K]表示剛度矩陣；{x}表示位移矢量，m；{F(t)}表示激振力幅值，N；{X}表示位移響應(yīng)幅值，m；φ表示位移響應(yīng)滯后激勵(lì)載荷的相位角；t表示時(shí)間，s[11]。

將式(2)代入式(1)，得到各節(jié)點(diǎn)諧響應(yīng)位移幅值，如式(3)所示。

(3)

織機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，打緯主軸產(chǎn)生的周期性慣性力是典型的簡(jiǎn)諧載荷，而且會(huì)對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[12]。假設(shè)打緯力為1 000 N，初始相位為0，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，機(jī)架的固有頻率范圍為65.012～203.77 Hz，激振力的掃頻區(qū)間應(yīng)涵蓋機(jī)架的固有頻率，故定義掃頻范圍為50～220 Hz，則作用在機(jī)架上的簡(jiǎn)諧載荷如式(4)所示。

F=1 000sinωtω∈[50,220]

(4)

3.2 幅頻特性

在機(jī)架橫梁中間位置選擇一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激振，在50～220 Hz內(nèi)進(jìn)行掃頻計(jì)算，設(shè)置采樣點(diǎn)為100，得到如圖4所示的幅頻響應(yīng)曲線。分析可知，在機(jī)架的前6階模態(tài)頻率點(diǎn)處，激振區(qū)域在X、Y和Z方向均存在明顯幅頻響應(yīng)，這與模態(tài)分析結(jié)果相吻合；另外，基頻(65 Hz)在X方向的位移響應(yīng)最大，說(shuō)明機(jī)架在X方向的抗振性較差，一旦基頻被簡(jiǎn)諧載荷所激發(fā)，機(jī)架沿X方向發(fā)生振動(dòng)的強(qiáng)度會(huì)最為劇烈，破壞程度也最為嚴(yán)重。

圖4 機(jī)架諧振響應(yīng)幅頻曲線Fig.4 Curves of amplitude-frequency response of the frame

因此，在實(shí)際織造生產(chǎn)過(guò)程中，為保證機(jī)架能夠適應(yīng)更高的織機(jī)車(chē)速，應(yīng)使噴氣織機(jī)主軸盡量避開(kāi)65 Hz的轉(zhuǎn)速頻率，或者可通過(guò)在機(jī)架結(jié)構(gòu)上添加消振器來(lái)增強(qiáng)其抗振性。此外，機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是提高其動(dòng)力學(xué)特性的有效技術(shù)手段，以65 Hz為參考定義目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量，將機(jī)架宏觀尺寸、橫梁截面形狀或墻板壁厚等作為設(shè)計(jì)變量，建立機(jī)架參數(shù)化幾何模型和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)改進(jìn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)力學(xué)特性是衡量織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。通過(guò)模態(tài)分析，計(jì)算獲得了噴氣織機(jī)機(jī)架的低階共振頻率，并分析了與之對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式，為織機(jī)機(jī)架動(dòng)力學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要參考和依據(jù)；根據(jù)諧響應(yīng)分析，獲得了機(jī)架在不同方向和頻率點(diǎn)的位移振動(dòng)響應(yīng)，明確了簡(jiǎn)諧載荷對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的破壞程度和趨勢(shì)，為機(jī)架的剛度設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力支持，有利于高速?lài)姎饪棛C(jī)的車(chē)速控制與調(diào)節(jié)。